【手続補正書】
【提出日】平成18年6月5日(2006.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】          明細書
【発明の名称】      航空機用環境制御装置
【特許請求の範囲】      
【請求項１】航空機のエンジンまたは補助動力部から高温高圧の抽気を得、これを空調部で調温、調圧した後、与圧室に供給するようにしたものにおいて、
与圧室から排出された空気または与圧室内から取り出した空気を、窒素富化空気と酸素富化空気とに分離し、この酸素富化空気を与圧室に再び供給するとともに、窒素富化空気を燃料タンク等の引火性のある部位に供給するようにしたことを特徴とする航空機用環境制御装置。
【請求項２】与圧室から排出された空気または与圧室内から取り出した空気を、圧縮することにより、分子を選択して透過する膜を用いて窒素富化空気と酸素及び水蒸気富化空気とに分離するようにしたことを特徴とする請求項１記載の航空機用環境制御装置。
【請求項３】与圧室から排出された空気または与圧室内から取り出した空気を、分子を選択して吸着できる材料を用いて、窒素富化空気と酸素富化空気とに分離するようにしたことを特徴とする請求項１記載の航空機用環境制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機の機内温度、圧力、酸素分圧等を制御する省エネルギ型の環境制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機は、一般に環境制御装置を備えている。この環境制御装置は、エンジンまたは補助動力部から高温高圧の圧縮空気を抽出し、これを空調部で調温、調圧した後、キャビンやコックピット等の与圧室に供給するものであり、与圧室の圧力を制御する役割と、与圧室に人間が快適に過ごすに充分な酸素を供給する役割と、与圧室の湿度調整及び冷暖房制御の役割等、様々な役割を有している。
【０００３】
そして、例えば、前述した空調部としては、取り込んだエンジン抽気を、コンプレッサとタービンとを単軸結合したエアサイクルマシンを用いて、調温調圧して与圧室に供給するものや、エアサイクルマシンを用いずに、エンジン抽気を熱交換機で予冷却した上で与圧室に供給し、与圧室内の空気を冷媒循環回路を主体とするベーパサイクルマシンを用いて更に冷却し、最大冷房負荷まで対応できる能力を与えるようにしたもの等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記環境制御装置におけるエンジン抽気の消費量は、通常エンジン空気流量の約３％を占め、大きなペナルティーとして認識されていた。具体的には、最大冷房負荷時には、１００人乗りの旅客機で約１００（ｌｂ／ｍｉｎ）という、最大の抽気を必要としていた。また、燃料タンク等の引火性のある部位に、燃料蒸気が存在しても落雷やショートによる誘爆を防止できるように、エンジン空気流量の約１％を占める抽気が別途抜き取られている。このような抽気ペナルティーは、エンジン推力や燃費の悪化に直結するものである。
【０００５】
さらに言えば、従来の環境制御装置では、与圧室に充分な湿度を提供することが難しく、喉が乾く等、乗客が快適に過ごすことができないきらいがあった。
【０００６】
更に、近年の開発傾向として、ジェットエンジンの高バイパス化が進み抽気空気を多く採りにくくなってきている。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、抽気量を抑え、それにより燃費を向上し、しかも簡易な構成で所要の冷却能力を発揮し得るようにした環境制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の航空機用環境制御装置は、航空機のエンジンまたは補助動力部から高温高圧の抽気を得、これを空調部で調温、調圧した後、与圧室に供給するようにしたものにおいて、与圧室から排出された空気または与圧室内から取り出した空気を、窒素富化空気と酸素富化空気とに分離し、この酸素富化空気を与圧室に再び供給するとともに、窒素富化空気を燃料タンク等の引火性のある部位に供給するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
このようなものであると、与圧室から排出される空気または与圧室内から取り出した空気のうち酸素のみを再び与圧室に供給する分、新鮮空気供給のための抽気の取り込みを最大３０％程度減少させても、与圧室において、乗客等が快適に過ごし得る充分な酸素濃度を保持できるようになる。また、空調に必要な量を越えた抽気を必要とせずに、すなわち推力や燃費を低下させずに燃料タンク等の引火性のある部位の誘爆防止を図れるようになる。以上の結果、航空機の信頼性、乗客に与える快適性を低下させることなく、抽気量を大巾に減らすことができるようになり、燃費や推力の向上を図れるようになる。
【００１０】
特に、一旦調温調圧されている与圧室内の空気を利用することは、高温高圧の抽気を一から空調する場合に比べると、空調部に掛かる負荷は遙かに軽くできるようになる。
【００１１】
具体的な実施の態様としては、与圧室から排出された空気または与圧室内から取り出した空気を、圧縮することにより、分子を選択して透過する膜を用いて窒素富化空気と酸素及び水蒸気富化空気とに分離するようにしたものを挙げることができ、この場合、与圧室内の湿度を好適に保てるようになり、乗客等に、喉が乾くといった不快感を与えることを防止できるようになる。
【００１２】
他の具体的な実施の態様としては、与圧室から排出された空気または与圧室内から取り出した空気を、分子を選択して吸着できる材料を用いて、窒素富化空気と酸素富化空気とに分離するようにしたものが挙げられる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図１を参照して説明する。
【００１４】
この実施例の航空機用環境制御装置は、エンジン１から高温高圧の抽気を得、これを予冷した後、与圧室たるキャビン２に供給する空調部３と、このキャビン２内の空気を取り込んで更に冷却することが可能な補助空調部３１とを具備している。前記空調部３と補助空調部３１について詳述すると、空調部３は、エンジン１から取り込んだ抽気を、先ず調圧弁７で調圧し、続いて、熱交換器５で外気と熱交換して予冷却し、この冷却した高圧空気を、タービンで８断熱膨張させて低温にし、キャビン２に供給するものである。なお、水蒸気の多い夏場の低高度であれば、熱交換機により予冷却した際に、凝結して水が出るので、図示しないウォーターセパレータにより、水を分離する。
【００１５】
一方、補助空調部３１は、循環ファン１４により循環ライン１５に取り込んだキャビン２内空気をベーパサイクルシステム６により冷却し、循環ライン１５により再びキャビン２内に供給することができるものである。具体的には、前記ベーパサイクルシステム６は、遠心コンプレッサ９、凝縮器１０、膨張弁１１及び蒸発器１２を順次通過するように構成された冷媒循環回路１３を主体とするものであり、この冷媒循環回路１３には、相変化を用いた熱サイクルが可能な代替フロンが冷媒１６として封入されている。そして、循環ライン１５によってキャビン内空気が前記蒸発器１２に導入され、冷媒１６がキャビン２内空気の保有する熱を奪って蒸発することによりキャビン２内空気を冷却する。蒸発器１２を出た冷媒１６は、タービン８に磁気カップリング１７を介して連結された冷媒１６用の遠心コンプレッサ９により、高温高圧となる。この高温高圧の冷媒１６は、凝縮器１０に導かれ、外気と熱交換し、放熱して自ら液体になる。液体となった冷媒１６は、膨張弁１１を介して、再び蒸発器１２に導かれ、膨張し周囲から熱を奪って気化する。なお、前記遠心コンプレッサ９は、タービン８において抽気が膨張する時に発生するエネルギが軸の駆動エネルギとして伝達されることにより駆動する。
【００１６】
しかして、本実施例の航空機用環境制御装置は、キャビン２内空気の一部を取り出して、この取り出した空気のうち酸素及び水分子のみを、再びキャビン２内に供給することができる酸素抽出部１９を具備している。
【００１７】
この酸素抽出部１９は、前記キャビン２内空気の一部を取り出して、圧縮比３．５程度に電動圧縮機２０で圧縮することにより、酸素及び水分子を透過する分子選択透過膜２１を用いて、窒素富化空気（Ｎ2ｒｉｃｈ）と酸素及び水蒸気富化空気（Ｏ2・Ｈ2Ｏｒｉｃｈ）とに分離し、この酸素及び水蒸気富化空気を、前記循環ライン１５を利用して、再びキャビン２内に供給するものである。具体的には、循環ライン１５に導入された酸素及び水蒸気富化空気は、循環ファン１４により該循環ライン１５に導入されたキャビン２内空気と混合され、蒸発器１２により冷却される。一方、前記選択透過膜２１を通過しない窒素等は、窒素富化空気として、燃料タンクアレジ４１に導入され、オーバーフローしたものは、機外に排出される。
【００１８】
以上のように構成した航空機用環境装置であると、キャビン２内から取り出した空気のうち酸素のみを再びキャビン２に供給する分、新鮮空気供給のための抽気の取り込みを最大３０％程度減少させても、キャビン２において、乗客等が快適に過ごし得る充分な酸素濃度を維持できるようになる。また、空調に必要な量を越えた抽気を必要とせずに、すなわち推力や燃費を低下させずに燃料タンク４１の誘爆防止を図れるようになる。このように、引火性のある部位に、窒素富化空気を供給することは、航空機の安全性をより向上できることにつながる。以上の結果、航空機の信頼性、乗客に与える快適性を低下させることなく、抽気量を大巾に減らすことができるようになり、燃費や推力の向上を図れるようになる。
【００１９】
特に、一旦調温調圧されているキャビン２内の空気を利用することは、高温高圧の抽気を一から空調する場合に比べると、空調部３に掛かる負荷は遙かに軽くできるようになる。
【００２０】
しかも、本実施例の酸素抽出部１９は、キャビン２内の空気を冷却するための、循環ライン１５を利用したものであるので、酸素及び水蒸気富化空気をキャビン２に供給するための別段の構成を不要とすることができ、スペース的、コスト的に有利なものとなる。さらには、複雑な作業を必要とせずに、既存の空調部に備えることもできる。
【００２１】
なお、高々度巡航中の場合は、機体表面温度が高くなり、乗客や電子機器による発熱があることから、極めて低い周囲温度（マイナス６０℃程度）であっても、僅かに冷却モードとなる。この場合、ベーパサイクルシステム６による冷却は必要なく、熱交換器５で冷却した空気と、図１において二点鎖線で示すようにバイパスさせて温度制御弁２３で温度制御した抽気とを混合して、キャビン２内に供給することになるが、この場合にも上述した効果を同等に奏するのは言うまでもない。
【００２２】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施例に限られるものではない。例えば、酸素抽出部の変形例としては、ゼオライト等の分子を選択して吸着できる材料を用いて、窒素富化空気と酸素富化空気とに分離するようにしたものが挙げられる。具体的には、ゼオライトを複数用意しておき、一のゼオライトを用いて、取り込んだ空気から酸素分子のみを吸着し、このゼオライトが酸素分子で飽和状態になれば、待機させていた他のゼオライトを用いて、取り込んだ空気から酸素分子のみを吸着するとともに、飽和状態にある一のゼオライトから酸素分子を取り出してキャビンに供給し、この一のゼオライトを他のゼオライトが酸素分子で飽和状態になるまで待機させておくように構成したものが挙げられる。このように、複数のゼオライトを交互に使用するようにしたものにおいても、上述した効果を同等に奏するだけでなく、キャビン内空気を、窒素富化空気と酸素富化空気とに分離する前に、電動圧縮機により圧縮する手間を省くことができるようになり、構成的に有利なものとすることができる。
【００２３】
また、キャビンから排出される空気から、酸素及び水蒸気富化空気を製造してもよいし、さらに言えば、補助動力部から抽気を得てもよいし、与圧室としてはキャビン以外には電子機器室やコックピット等が挙げられる。
【００２４】
また、空調部がエアサイクルマシンを具備するものとしてもよく、例えば、エンジン抽気を熱交換器により冷却した後、エアサイクルマシンのコンプレッサで圧縮し、再度冷却した上で、前記エアサイクルマシンのタービンで膨張することで、冷却空気を得、この冷却空気を与圧室に供給するようにしたものが挙げられる。この場合においても、上述した効果を同等に奏させることができる。
【００２５】
さらに言えば、冷媒は、代替フロンに限らず、炭化水素やアンモニア等の物質を使用してもよい。
【００２６】
その他、各部の構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したように、与圧室に充分な酸素を供給しつつ、新鮮空気供給のための抽気の取り込みを従来に比べ大巾に減少できるとともに、最低減必要な量以上の抽気をしないで、引火性のある部位の落雷等による誘爆を防止できるようになる。このように、航空機の信頼性、搭乗者に与える快適性を低下させることなく、抽気量を減らすことができるとともに、一旦空調されている与圧室内の空気を利用して空調部にかかる負担軽減を図ることができるので、燃費や推力の向上に直結するだけでなく、航空機の性能を飛躍的に向上できるようになる。
【００２８】
さらに、新しいエンジンを搭載した旅客機や、もともとの必要換気量が少なくてもよいビジネスジェット等では、ベーパサイクルシステムとの併用により、大巾なエンジン抽気の削減を期待できるようになる。
【００２９】
そして、与圧室から排出された空気または与圧室内から取り出した空気を、圧縮することにより、分子を選択して透過する膜を用いて窒素富化空気と酸素及び水蒸気富化空気とに分離するようにしたものであれば、上述した効果に加えて、与圧室内に乗客が快適に過ごし得る湿度を与えることができるようになる。
【００３０】
与圧室から排出された空気または与圧室内から取り出した空気を、分子を選択して吸着できる材料を用いて、窒素富化空気と酸素富化空気とに分離するようにしたものであれば、圧縮機が不要であるため、上述した効果を奏する環境制御装置の提供を簡単な構成かつ省スペースで実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一実施例を示すシステム図。
【符号の説明】
１・・・エンジン
２・・・与圧室（キャビン）
３・・・空調部
２１・・・分子を選択して透過する膜（分子選択透過膜）
４１・・・引火性のある部位（燃料タンク）